Tutti gli esseri viventi richiedono ossigeno. L'ossigeno si trova nell'atmosfera e nell'acqua. Le creature acquatiche devono filtrare l'ossigeno fuori dall'acqua e quindi scartare l'acqua in modo da non affogare. Un polpo respira nello stesso modo in cui tutti i pesci respirano, che è attraverso le branchie. Le branchie del polipo si trovano all'interno della cavità del mantello e si estendono verso l'esterno del corpo. Il fabbisogno di ossigeno dei polpi è superiore a quello richiesto da altri molluschi e pesci. I polpi hanno tre cuori, due dei quali pompano sangue attraverso le due branchie, dove avviene lo scambio di ossigeno.
La bocca di un polpo

La bocca a forma di becco di un polpo si trova nella cavità della mensola del camino a la parte posteriore della testa bulbosa del polpo, circondata dalle otto zampe. La bocca è l'ingresso della cavità del mantello che ha branchie al suo interno. Il polpo usa queste branchie per respirare. L'acqua viene portata nella bocca del polpo e quindi passata attraverso le branchie nel corpo idrico. Mentre l'acqua viene spinta sulla superficie delle branchie, l'ossigeno viene raccolto dal sangue nei capillari delle branchie.
Le branchie di un polipo

Le branchie sono costituite da molti filamenti piumati. Questi filamenti consentono una superficie maggiore attraverso la quale passa l'acqua ossigenata. Questa grande superficie consente al polpo di raccogliere più ossigeno per respiro.
Lo scambio di ossigeno

L'ossigeno viene raccolto nei capillari dal processo di uno scambio di controcorrente. L'ossigeno verrà prelevato nei capillari fintanto che il livello di ossigeno è inferiore nel sangue rispetto a quello nell'acqua. Quando viene utilizzato lo scambio di controcorrente, il livello di ossigeno sarà sempre più basso nel sangue rispetto all'acqua, consentendo uno scambio continuo di ossigeno tra l'acqua e il sangue. Ciò significa che il sangue viaggia in una direzione opposta nelle branchie rispetto alla direzione in cui viaggia l'acqua. Ciò consente il massimo scambio di ossigeno per respiro. A causa del sistema muscolare del polipo che contrae la cavità del mantello, forzando l'acqua ossigenata attraverso i filamenti delle branchie, il polpo è in grado di raggiungere il livello di saturazione dell'ossigeno dell'11% nel suo sangue di cui ha bisogno. La maggior parte dei pesci e dei molluschi raggiunge in media una saturazione di ossigeno del 3%.
Il cuore di un polipo

Due dei tre cuori di un polipo pompano sangue attraverso le branchie. Il sangue ossigenato che lascia le branchie ritorna al terzo cuore per essere pompato indietro attraverso il resto del corpo. L'ossigeno viene trasportato nell'emocianina proteica invece che nei globuli rossi che si trovano comunemente nei mammiferi. L'emocianina si dissolve nel plasma sanguigno, facendo diventare il sangue di colore blu.